黄河下游输沙量的沿程变化规律和计算方法

年月
泥沙研究
第期
黄河下游输沙量的沿程变化规律和计算方法
吴保生 张原锋
清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室 北京
黄河水利科学研究院 河南 郑州
摘要 以
年实测输沙资料为基础 研究了黄河下游的输沙量和排沙比变化特点 参照能够反映黄
河特点的考虑上站含沙量的输沙率公式 建立了黄河下游逐河段的输沙量和排沙比计算公式 实测资料的验
为指数
将式 与式
比较 并考虑到 ? 上 与
具有等价效果 可以看到式 同时包括
了来沙系数和引水量这两个对排沙比起主要影响的因素 此外 将式 与式 比较发现 两者较为
相似 只不过式 忽略了对于单独考虑场次洪水输沙较为重要的 ?
图 和图 点绘了花园口至利津的排沙比与参数
?
的关系 其中 图 是以年为时
段 而图 则是以汛期为时段 资料为
图 花园口和利津年水量及 花园口至利津区间引水量
图 利津与花园口年水量之比历年变化
收稿日期
基金项目 本研究得到国家自然科学基金委员会 水利部黄河水利委员会黄河联合研究基金项目 项目批准号
础研究专项 近期黄河下游输沙能力变化分析 资助
作者简介 吴保生
男 河南安阳人 博士 教授 主要从事水力学及河流动力学方面研究
排沙比与来沙系数成反比 说明相对于来水量而言 来沙量较小时 排沙比增大 引水使得主河 道的水流含沙量增加 一是表现为花园口至利津的含沙量比的增加 二是由于引水导致花园口至利津的 排沙比减少的程度 总是小于引水比本身
参考文献
麦乔威 赵业安 潘贤娣 黄河下游河道的泥沙问题 河流泥沙国际学术讨论会论文集 北京 光华出版社
钱宁 张仁 李九发 胡维德 黄河下游挟沙能力自动调整机理的初步探讨 地理学报
赵业安 潘贤娣 樊左英 韩少发 黄河下游河道冲淤情况及基本规律 黄河水利委员会水利科学研究院科学研
究论文集 第一集 泥沙 水土保持
郑州 河南科学技术出版社
胡春宏 黄河水沙过程变异及河道的复杂响应 北京 科学出版社
许炯心 人类活动影响下的黄河下游河道泥沙淤积宏观趋势研究 水利学报
本身 例如当
时?
也就是说 当引水 时 由
于引水使得排沙比减少
小于引水的比例 原因是引水含沙量小于河道水流的含沙量 导致主河
道的含沙量增加 由此可以解释图 所示含沙量比随时间不断增加的原因
结论
本文以黄河下游 年以来的实测输沙资料为基础 研究了输沙量和排沙比的变化特点和计算方 法 主要结论如下
随着黄河下游来水量的不断减少 引水量却一直保持在一个较高水平 输送到利津站的水量与 花园口站来水量的比值不断减少 河道的排沙比也不断降低 但含沙量比却不断增大
韩其为 黄河下游输沙及冲淤的若干规律 泥沙研究
梁志勇 刘继祥 张厚军 林宏达 刘翠芬 黄河洪水输沙与冲淤阈值研究
郑州 黄河水利出版社
泥沙输移公式
黄河下游河道的泥沙输移规律有别于一般含沙量相对较低的河流 其中一个特点就是河道的输沙 率不仅是流量的函数 而且还与上游来水的含沙量有关 存在 多来多淤多排 少来少淤少排 的特点 这 种独特的输沙关系可以用下式来表示
上
式中 为床沙质输沙率 为流量 上 为上站床沙质含沙量 为系数 和 为指数 实测资料分
图 花园口至利津全年排沙比与综合参数的关系
图 花园口至利津汛期排沙比与综合参数的关系
由式 和式 可以看到 排沙比与来沙系数成反比 说明相对于来水量而言 来沙量较小时 排
沙比增大 此外 水量比实质上反映了引水对排沙比的影响 可以看到 排沙比随引水比 的增加 即
? 减少 而减少 考虑到 ?
总是大于 ? 说明引水使排沙比的减少总是小于引水比
黄委会基
图 利津至花园口排沙比及含沙量比历年变化
研究黄河下游河道在不断变化的水沙条件下的泥沙输移规律 对于预测下游河道的发展趋势 以及 制定合理的河道治理规划和水库调度运行方式具有重要的现实意义和理论价值 本文以 年黄河下游花园口 高村 艾山和利津 个主要测站的实测输沙资料为基础 研究汛期和全年输沙量逐 河段的输移以及由花园口至利津的排沙比变化特点 并在此基础上建立逐河段输沙量和排沙比的计算 公式 为进一步研究水沙变异条件下的泥沙输移规律提供参考
参照能够反映黄河特点的考虑上站含沙量的输沙率公式 建立了黄河下游逐河段的输沙量推求 公式 以及由花园口直接输送到利津的沙量计算公式和排沙比计算公式 实测资料的验证表明 本文建 立的输沙量和排沙比计算公式具有较高精度 可以用来分析黄河下游的泥沙沿程输移过程以及引水对 输沙的影响
对于给定的河段来沙量 河段出口的输沙量随出口处水量的增加而增加 对于逐河段输沙量公 式 由于分段推求的距离缩短 较直接由花园口推求利津沙量的相关程度有所提高 而且上站沙量的指 数 自上而下逐渐增大 说明上游河段的衰减程度大于位于下游的河段
水量的关系 可以看到 输沙量不仅是水量的函数 而且与上游来沙量有关 说明式 基本反映了黄河
下游的输沙特点 图 和图 分别点绘了全年和汛期 与参数
的关系 可以看到 当取
时 与参数
的相关关系很好 可以用如下回归关系式来表示
全年
汛期
式中 为利津站的水量 亿
为利津站的沙量 亿
为花园口站的沙量 亿 以上两
式可以分别用来估算给定全年或汛期花园口来沙量条件下 通过下游河道输送到利津的沙量 此外 图
图 花园口至利津汛期输沙量关系
根据式 图 给出了在给定花园口来沙量的条 件下 利津输沙量与利津水量之间的关系曲线 是对图
实测资料变化趋势的概化表示 可以看到 对于给定 的花园口沙量 利津输沙量随利津水量的增加而增加 如果忽略引沙量的影响 可以将图中的粗实线作为河 道发生冲刷与淤积的分界线
以上给出了进入到黄河下游河道的沙量由花园口 直接输送到利津的计算公式 下面将式 应用于黄 河下游几个主要测站 分析逐河段输沙量的推求公式 为此 通过回归分析得到逐河段推求输沙量公式的系 数和指数 列于表 可以看到 由于分段推求的距离 缩短 较直接由花园口推求利津沙量的相关程度有所 图 提高 此外 上站沙量的指数 自上而下逐渐增大 说 明上游河段的衰减程度大于位于下游的河段
年 可以看到 图中的资料具有较好的相关关系 图
中显示的全年和汛期的排沙比公式分别为
全年
汛期
式中 为花园口平均来沙系数
?
为花园口站平均含沙量 为花园口站
平均流量 考虑 不具代表性
为花园口水量 为利津水量 需要指出的是 以上两个公式的指数和系数确定中 没有 两年的影响 这两年由于三门峡水库初期蓄水 下泄水流的含沙量极低 情况比较特殊
和图 还分别给出了以
为参数的二次多项式的拟合曲线
全年
汛期
式 和式 较式 和式 简单幂函数关系 更能代表数据点的趋势 表明在
较大
时 增加的趋势有所减缓 原因可能是大流量漫滩洪水造成的滩地淤积 使得通过整个下游河道输
移到利津的沙量相对减少
图 利津站输沙量与水量的关系 以花园口站输沙量为参数
图 花园口至利津全年输沙量关系
定义排沙比为本站输沙量与上站输沙量的比值 即
? 上 根据这一定义 并利用式 得到
上
上上
上
上
上上
上上
上
由式 和式 表示的花园口至利津河段的输沙量公式可知 指数
并整理得到花园口至利津的排沙比
上
和
代入上式
如果采用 代替 则上式可以表达为如下的一般形式
上
或
上
上
上
上
上
Байду номын сангаас
式中 上 和 上 分别为研究河段进口站的平均含沙量和平均流量 上 和 上 分别为研究河段进口站的
析表明 与前期河床冲淤和来沙颗粒组成有关 而 和 与河段的比降和河槽形态有关 分别在
和
的范围内变化
公式 的代表性已经被大量实测资料所证实 在黄河下游的输沙能力研究中得到了广泛的应用
为了分析某一给定时段 例如以年或汛期和非汛期为时段的泥沙沿程输移过程 可以将上式稍作改变
由此得到输沙量沿程变化的表达式如下
日平均含沙量和日平均流量 和 为待定指数
下面将公式 的结构形式与以往一些具有代表性的研究结果作一对比 许炯心等 在研究黄河
下游河道的输沙能力变化时 采用回归分析得到如下三门峡至利津的排沙比计算公式
式中
分别为三门峡 黑石关 小董的年输沙量 为黄河下游的年引沙量
表
示一年的水流输沙能力 单位为 ?
为花园口日均流量 ? 为花园口年均含沙量 ?
花园口沙量和利津输沙量与利津水量的关系
表 基于式 分段推求输沙量公式的系数和指数
年资料
时段 全年
汛期
河段 花园口 高村
高村 艾山 艾山 利津 花园口 高村 高村 艾山 艾山 利津
排沙比公式
排沙比 或称为泥沙输移比 是河道输沙能力的另一种表达形式 一般情况下 河道的输沙能力越
强 排沙比就越大 下面以式 所表达的输沙能力关系为基础来推导黄河下游排沙比的表达式 这里
为花园口年均流量 ? 韩其为 从分析上 下河段输水输沙关系出发 推导得到如下黄河下游上 下河段输沙量比关系式
式中 和 分别为河南和山东河段的输沙量 为花园口至艾山河段引走水量的分流比 梁志勇等 在研究黄河下游各河段高含沙洪水输沙特性时 提出了如下排沙比公式
上
式中 为平滩流量
上
上
为洪峰最大流量 和 为系数
证表明 本文建立的输沙量和排沙比计算公式具有较高精度 可以作为分析水沙变异条件下黄河下游河道泥
沙输移规律的参考
关键词 黄河下游 泥沙输移 输沙能力 排沙比 来沙系数
中图分类号
文献标识码
文章编号
引言
黄河下游由于含沙量高 泥沙颗粒较细 河床调整变化迅速 导致河道的输沙能力变幅较大 泥沙的 输移规律十分复杂 此外 黄河下游自 世纪 年后期以来 来水量呈不断减少的趋势 而河道引水 量一直保持在一个较高水平 图 结果输送到利津站的水量与花园口站来水量的比值历年不断减少 图 河道的排沙比不断降低 含沙量比却不断增加 图 给黄河下游的泥沙输送和防洪带来严重的 不利影响
上
式中 为输沙量 上 为上站输沙量 为水量 我们知道 黄河下游的输沙能力变幅较大 在实际 应用中要严格区分冲泻质与床沙质十分困难 同时 推移质所占比重又很小 所以 本文式 中的
和 上 均为包括冲泻质在内的全部实测悬移质输沙量
利用花园口和利津两站
年的实测水沙资料 图
和图
分别点绘了以花园口年输
沙量为参数的利津站年输沙量与水量的关系 以及以花园口汛期输沙量为参数的利津站汛期输沙量与